Spustenie misie NASA Artemis 1 na Mesiac v novembri znamenalo ďalší krok na ceste, ktorá jedného dňa povedie k tomu, že ľudia navštívia nášho najbližšieho planetárneho suseda, Mars. Ľudská misia bude nakoniec nasledovať po pätách viacerých robotických kozmických lodí, pričom poslednou z nich bolo pristátie roveru Perseverance na červenej planéte vo februári 2021. Pre ľudské cesty na Mars je potrebné vyriešiť mnoho technologických problémov, medzi ktoré patrí kľúčová je to ochrana pred slnečným žiarením a zdravie posádky vrátane toho, ako najlepšie zabezpečiť výživnú stravu. Zameranie a výzva pre mnohých odborníkov, ktorí študujú posledný uvedený, je, ako sa vyhnúť latentným nedostatkom spôsobeným neustálou konzumáciou lyofilizovaných potravín. Dostupnosť čerstvých potravín bude samozrejme veľkou zdravotnou a psychologickou výhodou, a preto bude potrebné pestovať a zbierať rastliny na ceste. V tomto článku autori hodnotia aktuálne údaje a výskumy týkajúce sa výživy, medicínskych a psychologických výhod a možných metód pestovania plodín v hlbokom vesmíre.
Podľa NASA sa počas dlhých vesmírnych letov objavuje päť hlavných nebezpečenstiev: vesmírne žiarenie, izolácia a uzavretie, vzdialenosť od Zeme, nízka gravitácia a nepriateľské a uzavreté prostredie kozmickej lode. Živé rastliny a čerstvo vypestované potraviny by mohli hrať hlavnú úlohu pri podpore troch z nich: výživy, medicínskych potrieb a psychológie posádky.
Výživa
Nutričná rovnováha potravín dodávaných pre vesmírne misie musí byť dokonale prispôsobená tak, aby posádka zvládla dlhú cestu v dobrom zdraví
Nutričná rovnováha potravín dodávaných pre vesmírne misie musí byť dokonale prispôsobená tak, aby posádka zvládla dlhú cestu v dobrom zdraví. Keďže dodávky zo Zeme budú náročné, kritickým cieľom je presné určenie správnej stravy a jej presnej formy.
Vyhnúť sa akémukoľvek nedostatku základných živín je najzrejmejšou výzvou a NASA podrobne študovala nutričné potreby. Ukázalo sa však, že veľká časť súčasného vesmírneho potravinového „systému“ je nedostatočná. Konkrétne dlhodobé skladovanie potravín v prostredí vyvoláva degradáciu vitamínov A, B1, B6 a C.
Kumulatívny priemerný úbytok hmotnosti u astronautov je 2.4 percenta za 100 dní v mikrogravitácii, a to aj pri prísnych protiopatreniach odporových cvičení. Ukázalo sa tiež, že astronauti trpia nutričnými nedostatkami draslíka, vápnika, vitamínu D a vitamínu K, pretože dodávaná strava im neumožňuje splniť denné požiadavky na príjem.
Rastliny prirodzene obsahujú vitamíny a minerály a okamžitá konzumácia čerstvých potravín by sa vyhla problémom so skladovaním. Ich konzumácia by preto bola skvelým doplnkom lyofilizovaného jedla.
Astronaut Scott Kelly na ISS ozdravoval umierajúce vesmírne cínie. Nafotil kyticu kvetov v Cupole na pozadí Zeme a fotografiu zdieľal na svojom Instagrame na Valentína v roku 2016.
Lekárstvo
Okrem vitamínov a minerálov rastliny syntetizujú mnoho rôznych sekundárnych metabolitov. Tieto zlúčeniny môžu byť veľkou pomocou pri prevencii zdravotných problémov. Napríklad folát sa podieľa na oprave DNA, ale jeho požiadavky sú splnené len na 64 percent letových dní. Keďže teloméry, koniec chromozómov, sa počas dlhých letov výrazne zmenili, suplementácia folátu prostredníctvom čerstvých rastlín by mohla pomôcť znížiť genetické starnutie a výskyt rakoviny.
Okrem iných príkladov by zelenina bohatá na karotenoidy mohla zabrániť skresleniu očí spôsobenému mikrogravitáciou, zatiaľ čo sušená slivková strava môže pomôcť zabrániť strate kostnej hmoty spôsobenej žiarením. Mnohé rastliny obsahujú antioxidanty, ktoré môžu byť veľkou pomocou pri ochrane ľudskej DNA pred mutáciami vyvolanými žiarením. Rastlinná strava však nestačí a treba vyvinúť iné riešenia na ochranu astronautov pred radiáciou.
Psychológia
Okrem vitamínov a minerálov syntetizujú rastliny mnoho rôznych sekundárnych metabolitov
Keďže izolácia a vzdialenosť výrazne zaťažia duševné zdravie astronautov, jedlo je jedným z najdôležitejších období na zlepšenie nálady. Konzumácia lyofilizovaného jedla pri každom jedle spôsobuje únavu z jedálneho lístka a astronauti majú tendenciu časom jesť menej. Konzumácia čerstvého jedla môže znížiť túto únavu, v neposlednom rade tým, že poskytuje rozmanitosť vo forme a štruktúre.
Ďalšou aktivitou prospešnou pre duševné zdravie posádky je záhradníctvo. Ukázalo sa, že pestovanie rastlín má mimoriadne priaznivé účinky, pretože môže astronautom navodiť pocit cestovania s kúskom Zeme. Niektoré štúdie sa snažili nájsť rastliny s najpriaznivejšími psychologickými účinkami, pretože by mohli byť veľmi dôležitým faktorom pre duševné zdravie posádky. Napríklad jahody môžu zlepšiť pozitívne psychologické reakcie, ako je sila a sebaúcta, znížiť depresiu a stres, zatiaľ čo koriander môže zlepšiť kvalitu spánku.
Rastlinné vesmírne poľnohospodárstvo je teda zaujímavé na nutričnej, psychologickej a medicínskej úrovni. Nedostatok miesta a špecifické podmienky pestovania však obmedzujú počet a výber plodín.
Skutočný výber použitých plodín sa bude líšiť v závislosti od skúmaných kritérií a preferovanej oblasti (výživa, psychológia a medicína). Niektoré rastliny s dlhou trvanlivosťou môžu byť vhodné, ako napríklad pšenica alebo zemiak, ale majú nevýhodu v tom, že ich treba pred konzumáciou uvariť. Ďalším faktorom, ktorý treba zvážiť, je reprodukčný systém a spôsob opeľovania rastlín, pretože zvieratá (napríklad hmyz) nemajú povolený vstup na palubu.
Bol vytvorený zoznam plodín, ktoré by sa mohli pestovať vo vesmíre, pričom niektoré z nich už boli pestované na palube. Ako nástroje na ich výber autori zvolili nutričné a agronomické kritériá. Pre psychologické účinky sa teda chuti a vzhľadu plodiny alebo jedlej časti rastliny priradila hodnota od jednej (min) do štyroch (max).
Tabuľka rôznych plodín s ich nutričnými, lekárskymi, agronomickými a psychologickými charakteristikami vhodnými na dlhé misie vo vesmíre.
Pestovanie rastlín v kozmickej lodi
Vesmír predstavuje pre rastliny dva hlavné zdroje stresu: kozmické žiarenie a mikrogravitáciu.
Žiarenie negatívne ovplyvňuje rast rastlín a zvyšuje riziko genetických mutácií, takže ochrana rastlín pred žiarením by mala byť prioritou. Zatiaľ čo žiarenie môže byť zadržané pomocou olovených a/alebo vodných štítov, predstavuje to dodatočnú hmotu na umiestnenie na obežnú dráhu. Dobrým riešením, ktoré vzniklo zo základného tábora Lockheed Martin's Mars Base Camp (2018), je použiť sklad paliva ako radiačný štít.
Mikrogravitácia na druhej strane výrazne nenarušuje rast rastlín, hoci ho môže spomaliť. Reakcia rastliny sa však líši podľa druhu, keďže mikrogravitácia ovplyvňuje expresiu genómu rastliny. Zistilo sa, že v mikrogravitácii budú rastliny exprimovať viac génov súvisiacich so stresom, ako sú gény tepelného šoku, a zvýšia svoju produkciu proteínov súvisiacich so stresom. Okrem toho sa zistilo, že semená majú rôzne koncentrácie metabolitov a oneskorené klíčenie.
Mikrogravitácia ovplyvňuje aj mikroprostredie rastliny, ako je nedostatok pohybu atmosféry, vytváranie nezvyčajného zloženia atmosféry a ťažkosti so zalievaním (s podporou alebo bez podpory). Vo vonkajšom priestore nie je konvekcia vzduchu, takže ak nie je pestovateľská stanica dostatočne vetraná, okolo jej povrchu zostane akýkoľvek plyn emitovaný rastlinou. Ukázalo sa, že akumulácia plynného etylénu okolo listov rastlín má za následok abnormálny vývoj listov. Iné plyny, napríklad oxid uhličitý, prítomné vo vysokých koncentráciách v kozmickej lodi, môžu byť pre niektoré rastliny smrteľné. Rovnaký problém vzniká pri zalievaní rastlín, takže bude potrebné vyvinúť metódu, ktorá neutopí korene.
Reakcia rastliny na vesmírne prostredie sa hodnotí ťažšie. Niektoré aspekty tohto prostredia, ako napríklad obmedzený priestor, môžu nasmerovať našu voľbu k trpasličím odrodám. Niektoré ďalšie aspekty, ako je reakcia rastliny na mikrogravitáciu, sa však líšia v závislosti od druhu a odrôd. Hoci experimenty musia pokračovať, určitý počet rastlín už bol testovaný a opísaný ako rastliny schopné rásť vo vesmíre a môžeme ich použiť ako základ.
Vývoj autonómnej rastlinnej komory pokrývajúcej všetky nutričné potreby astronautov môže trvať desaťročia, ale použitie malých komôr ako doplnkových opatrení by mohlo pomôcť posádke s nedostatkom vitamínov a živín (ktoré sa v balených potravinách menia) a znížiť únavu zo stravy.
Mark Vande Hei, Shane Kimbrough, Thomas Pesquet, Akihiko Hoshide a Megan McArthur zo Space X Crew-02 pózujú so svojou úrodou červených a zelených chilli papričiek na ISS v roku 2021 pre vyšetrovanie Plant-Habitat 04.
Bioregeneračný systém podpory života
Konzumácia lyofilizovaného jedla pri každom jedle spôsobuje únavu z jedálneho lístka a astronauti majú tendenciu časom zjesť menej
V kozmickej lodi je priestor obmedzený. Preto úspech misie závisí od regeneračných systémov zabudovaných do systémov na podporu života (LSS), ktoré dokážu recyklovať použitú hmotu na použiteľnú hmotu. Systém environmentálnej kontroly a podpory života (ECLSS) inštalovaný na Medzinárodnej vesmírnej stanici (ISS) produkuje kyslík a vodu recykláciou oxidu uhličitého a moču; podobný systém bude potrebný pre dlhé vesmírne lety.
Myšlienka bioregeneratívnej LSS (BLSS) sa zrodila v 1960. rokoch 1990. storočia s cieľom zahrnúť výrobu potravín a recykláciu odpadových materiálov (napríklad fekálnych látok) do ECLSS. BLSS s baktériami a riasami by sa mohol použiť na recykláciu dusíka v pevnom odpade späť na využiteľnú formu organického dusíka, ktorý by rastliny mohli absorbovať. Experiment podľa tohto princípu – alternatíva mikroekologického systému podpory života (MELiSSA) – vyvinula a vykonávala Európska vesmírna agentúra od XNUMX. rokov minulého storočia.
Keďže však do BLSS zaraďujeme vyššie závody, budeme musieť študovať ich integráciu s inými existujúcimi technológiami kontroly životného prostredia, čo predstavuje novú výzvu. Stanovenie nákladov a udržateľnosti týchto menších systémov výroby potravinárskych plodín poskytne kritické informácie pre vývoj smerom k väčšiemu BLSS.
Schematický diagram druhého návrhu jednotky na pestovanie rastlín s poréznou rúrkou.
Vývoj komory na rast rastlín
Použitie hydroponického systému na pestovanie plodín je atraktívna možnosť, pretože pestuje rastliny vo vode namiesto spoliehania sa na pôdny systém. Ten zvyšuje hmotnosť kozmickej lode a riziko vznášania častíc, čo sú dva aspekty, ktoré ju robia nevýhodnou. Advanced Plant Habitat (APH) nainštalovaný na ISS už pestoval rôzne trpasličie pšenice pomocou hydroponického systému s poréznym trubicovým zavlažovacím systémom zabudovaným v koreňovom module obsahujúcom arcilit a hnojivo s pomalým uvoľňovaním.
Aby sa posádke uľahčili záhradnícke aktivity a aby sa zabezpečilo, že rastliny rastú v optimálnom prostredí, musí byť kultúrny cyklus plodín plne monitorovaný počítačom. Takýto monitorovací systém bol testovaný v roku 2018 v Antarktíde. Použitie čiastočne automatizovaného systému na pestovanie plodín zabezpečí, že posádka bude ťažiť z prítomnosti rastlín v kozmickej lodi (manipuláciou s nimi) a zabráni tomu, aby sa problém poľnohospodárstva stal príliš časovo náročným. V skutočnosti ešte nie je presne definovaná miestnosť potrebná na pestovanie rastlín a niekoľko experimentov vo vesmírnych prostrediach (ako HI-SEAS) ukázalo, že táto činnosť môže byť zdĺhavá.
Ukázalo sa, že pestovanie rastlín má mimoriadne priaznivé účinky, pretože môže astronautom navodiť pocit cestovania s kúskom Zeme.
Nakoniec, Vegetable Production System alebo Veggie od NASA (spustený v roku 2014), ktorý poskytuje pestovateľskú plochu 0.11 m², je skvelým príkladom jednotky na pestovanie rastlín, ktorú možno použiť na palube kozmickej lode, pretože už bola testovaná na ISS. Pokiaľ ide o požiadavky na svetlo, LED diódy sa používajú s dvoma rôznymi vlnovými dĺžkami: červená (630 nm) a modrá (455 nm), pretože rastliny pri týchto vlnových dĺžkach rastú efektívnejšie. Zelená LED dióda môže byť tiež potrebná na to, aby rastlina získala jej prirodzenú farbu, čím sa uľahčí identifikácia chorôb a pripomenie posádke Zem.
Mizuna (japonská kapusta), červený rímsky šalát a tokijská bekana (čínska kapusta) pestované v jednotke Veggie na ISS.
Vesmírne podmienky vytvárajú stres pre ľudí aj rastliny, takže v súčasnosti sa skúma dizajn rastlín schopných rásť v kozmických lodiach a pomôcť zmierniť niektoré stresy, ktoré astronauti zažívajú.
Gény zapojené do stresových reakcií rastlín boli identifikované, ale na zníženie alebo zmiernenie týchto účinkov vedci potrebujú upraviť expresiu existujúcich génov alebo pridať gény na prispôsobenie priestoru do genómov. To sa dá dosiahnuť pomocou úpravy génov a niektoré kandidátske gény už boli špecificky identifikované a študované. Napríklad ARG1 (Altered Response to Gravity 1), gén, o ktorom je známe, že ovplyvňuje gravitačné reakcie v rastlinách na Zemi, sa podieľa na expresii 127 génov súvisiacich s adaptáciou na vesmírne lety. Zistilo sa, že väčšina génov zmenených v expresii pri vesmírnom lete je závislá od Arg1, čo naznačuje hlavnú úlohu tohto génu vo fyziologickej adaptácii nediferencovaných buniek na vesmírny let. HsfA2 (faktor tepelného šoku A2) má významný vplyv na adaptáciu na vesmírne lety, napríklad prostredníctvom biosyntézy škrobu. Cieľom je narušiť gény vyvolávajúce stres a podporiť tie prospešné.
Ďalšie gény, nazývané gény adaptácie na priestor, ako sú gény súvisiace so žiarením, chloristanom, trpaslíkom a nízkou teplotou, sú potenciálne vhodné pre štúdium, pretože by pomohli rastlinám odolávať drsným podmienkam vesmíru. Napríklad mikroorganizmy prispôsobené hypersalinnému prostrediu majú gény pre odolnosť voči UV žiareniu a odolnosť voči chloristanom. Na ISS sa už pestovalo mnoho trpasličích odrôd (napr. pšenice) a trpasličí cherry paradajka „Red Robin“ by sa mohla pestovať na ISS ako súčasť experimentu NASA Veg-05.
Môžeme tiež navrhnúť rastliny pre zdravie astronautov. Podpora akumulácie prospešných zlúčenín, výroba celotelových jedlých rastlín na zníženie odpadu alebo navrhovanie rastlín na výrobu liekov proti vedľajším účinkom vesmíru na astronautov sú možné spôsoby, ako urobiť rastliny užitočnými pre posádku.
Na rastlinách zemiakov bola použitá stratégia celotelových jedlých a elitných rastlín (WBEEP), vďaka ktorej boli stonky a listy zemiakov jedlé tým, že sa z nich odstránil solanín. Aby sa inhibovala jeho produkcia, gény, ktoré ho produkujú, sú umlčané alebo zmutované úpravou génov. Vytvorenie tohto zemiaka WBEEP má výhody, pretože ide o ľahko pestovateľnú rastlinu, ktorá je dobrým zdrojom energie a dokázala rásť v náročných podmienkach, ako je priestor. Rastliny boli tiež obohatené, aby plne uspokojovali nutričné potreby ľudského tela.
Žiarenie negatívne ovplyvňuje rast rastlín a zvyšuje riziko genetických mutácií, takže ochrana rastlín pred žiarením by mala byť prioritou
Jedným z hlavných problémov zdravia astronautov v mikrogravitácii je strata hustoty kostí. Naše kosti sú neustále v rovnováhe medzi rastom a resorpciou, čo umožňuje kostiam reagovať na zranenia alebo zmeny v cvičení. Čas strávený v mikrogravitácii narúša túto rovnováhu, nakláňa kosti smerom k resorpcii, takže astronauti strácajú kostnú hmotu. Dá sa to liečiť liekom nazývaným parathormón alebo PTH, ale vyžaduje si to pravidelné injekcie a má veľmi krátku trvanlivosť, čo je problematické pri dlhých vesmírnych letoch. Preto bol upravený transgénny šalát, ktorý produkuje PTH.
Navrhovanie rastlín schopných rásť vo vesmíre a byť užitočné pre astronautov je stále v ranom štádiu výskumu. Jeho vyhliadky sú však veľmi sľubné a skúmajú ich všetky veľké vesmírne agentúry. Budovanie komory na rast rastlín v nevľúdnom prostredí vesmíru si stále vyžaduje prácu. Jednou z výziev bude pridanie bioregeneračnej časti BLSS k už existujúcej LSS. Ďalšou výzvou je potreba lepšieho výberu plodín, ktoré sa majú pestovať na palube, aby odolali priestorovým podmienkam a ponúkli významné výnosy. Vďaka šíreniu poznatkov v oblasti šľachtenia rastlín však úpravy génov vo vybraných plodinách umožnia ich ďalšie prispôsobenie priestorovým podmienkam a prispôsobenie nutričným a zdravotným potrebám posádky.
Zdroj: https://room.eu.com